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Kompetenz & Service für
die Zementindustrie
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
aixergee – Kompetenz & Service für Zement
Unser Beitrag:
Durch die Kombination aus langjähriger Branchenerfahrung
und führender Kenntnis im numerischen Engineering
können wir die komplexen Prozesse in der Zementindustrie
im Detail untersuchen und auf der so geschaffenen
Grundlage besser optimieren. Unsere Kunden profitieren
von dieser Prozessoptimierung durch geringere
Brennstoffkosten, geringe Instandhaltungskosten, geringe
Energiekosten und höhere Produktivität
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
aixergee – Kompetenz & Service für Zement
Wir helfen Ihnen!
● Bei der Senkung Ihrer
Produktionskosten
● Bei der Steigerung Ihrer
Produktivität
● Bei der Verbesserung
Ihrer Produktions-
prozesse
● Bei dem Einsatz von
Sekundärbrennstoffen
● Bei der Qualifikation
Ihres Personals
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Produktion von Zement
Produktion
Ausrüstung
- Maschinen
- Automation
Betrieb
Einsatz-
material
Brennstoff
Roh-
material
Produkte
Klinker
Zement
Energie
Brennstoff Elektrizität
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Produktion von Zement
Produktion
Ausrüstung
- Maschinen
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Betrieb
Einsatz-
material
Brennstoff
Roh-
material
Produkte
Klinker
Zement
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aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Prozessoptimierung
Ist-Zustand: Optimierung:
Beobachtung
Messung
Berechnung
- konventionell
- CFD
- CPFD
- PFD
- Thermochemie
- Validation
Modifikation
der
Anlagentechnik
Modifikation
der
Einsatzstoffe
Modifikation
des
Anlagenbetriebs
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Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik
Wassereindüsung in Mischkamer:
● Untersuchung der
Strömungssituation
● Identifikation der Bottlenecks
● Düsenengineering
● Identifikation der geeigneten
Positionen und Ausrichtungen
der Düsenstöcke
● Verringerung der
Ansatzneigung
● Erhöhung der
Produktionsleistung
● Stabilisierung des
Anlagenbetriebs
35°
500
1500
35°
500
1500
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik
Optimierung der Zyklone:
● Untersuchung der
Strömungssituation
● Identifikation der
Bottlenecks
● Optimierung der Strömung
● Verringerung des
Druckverlustes
● Verringerung der
Ansatzneigung
● Verbesserung des
Abscheidegrades
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation der Einsatzstoffe
Verbrennung von
Reifenschnitzeln im Kalzinator
● Untersuchung des
Strömungs-und
Verweilzeitverhaltens
● Berechnung des Ausbrands
und der Strömung beim
Einsatz der Reifenschnitzel
● Festlegung des optimalen
Aufgabeortes und der
erreichbaren Einsatzmenge
● Identifikation von
potentiellen
Prozessstörungen und
Erarbeitung von
Gegenmaßnahmen
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Zum Beispiel: Modifikation des Anlagenbetriebs
Alle Eingriffe und Veränderungen
in den Produktionsprozess
bedingen oder begründen eine
Modifikation des Anlagenbetriebs!
Wir lassen Sie nach der
Implementierung der Modifikation
nicht im Regen stehen:
● Optimierung des
Anlagenbetriebs auf die
neue Situation
● Schulung des Personals
● Betriebsoptimierung auch
ohne vorhergehende
Anlagenmodifikation
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Zementproduktion als vernetzter Prozess
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Die Zementproduktion als komplexer Prozess
● Der Zementprozess ist gekennzeichnet durch:
● Das Vorliegen der (Zwischen-) Produkte in allen
Aggregatzuständen – insbesondere feststoffförmig
● Unterschiedlichste Ablaufzeiten von teilweise überlagerten
Prozessen (Millisekunden bis zu Stunden)
● Zyklisches – schwingendes Verhalten
● Extrem energieintensiv
● Direkter Kontakt zwischen Brennstoff(-asche) und Produkt
● Hohe Variationsrate der Qualitäten und Quantitäten der
Einsatzstoffe möglich
● Kernprozesse sind mineralogisch getrieben
● Als Massenprodukt verträgt Zement keine höheren
Produktionskosten
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Prozessoptimierung ist permanente Notwendigkeit
● Der hohe Energiebedarf zwingt zu ständigen
Effizienzsteigerungen
● Neue Technologien müssen in die prinzipiell langlebige
Anlagenausrüstung integriert werden
● Permanenter Kostendruck bewirkt den Einsatz immer
minderwertigerer Brennstoffe / Reststoffe
● Wachsende Umweltauflagen verlangen immer
umweltschonendere, und besser geführte
Produktionsweise
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Von der Analyse zur Optimierung
Ist-Zustand Optimierung
Analyse Vorschlag Umsetzung
Anlagenbegutachtung:
● Beobachtung
● Messung
Berechnung:
● konventionell
● CFD
● CPFD
● Thermochemie
● Verbrennung
● Energiebilanz
● ...
Beschaffung:
● Lieferanten
● Partner
Engineering:
● Verfahrenstechnik
● Stoff- und
Energiebilanzen
● Konstruktion
● Bauteil
● Elektrik/Automation
● Behörden
● Projektmanagement
● Behördenengineering
● Resourcenbeschaffung
● Lieferung
● Montage
● Inbetriebnahme
● Optimierung
● Leistungsnachweis
● Training
Finanzierung:
Projektplanung:
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Wie wir für Sie arbeiten
Anlagenbetrieb
Auslegung
von Maschinen
u. Anlagen
Konstruktion
von Maschinen
u. Anlagen
Berechnung von:
- Strömungen
- Druckverlusten
- Ausbrandraten
- Chemischen Zusammensetzungen
- Kalzinationsraten
- Emissionen
- Partikelbahnen
...
ProduktionsprozessProduktionsprozess
aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie
Numerische Engineeringwerkzeuge
Werkzeug Anwendung Beispiel
Verbrennungsprozesse Ofenbrenner
…
…
PFD
…
Thermochemie
CFD
(mit zusätzlichen
Modellen zur
Berücksichtigung
des
Partikelverhaltens)
FLUENT
„Reingas“ und gering
beladene
Mehrphasenströmungen
Filter, Gasströmungen in
Apparaten und Leitungen
Strömungen mit überlagerten
Reaktionen und
Strahlungstransport
Kalzinatorströmung mit
Augenmerk auf Gas
CPFD
Barracuda
hoch beladene
Gasströmungen
Zyklonströmungen,
Mehleinbringungen,
statische Sichter
durchströmte Haufwerke
Festbett- und
Wirbelbettreaktoren
Bunkeraustragsströmung
Partikelströmungen
Siloausträge,
Feststoffströmungen
Mehrkomponenten- und
Mehrphasenreaktionen
Vorausberechnung der
Abgaszusammensetzung
Vorausberechnung der
(Zwischen-)Produktzusam
mensetzung
PartikelGas
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Warum wir uns so viel Mühe geben
E-Filterströmung – nach und vor der Optimierung
●Bessere Strömungsverteilung
●Längere mittlere Verweilzeit
●Bessere Abscheideleistung
●Geringerer Druckverlust
bei äußerlich
gleicher Erscheinung!
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CFD für die Zementindustrie: Einige Beispiele
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Wärmetauscheroptimierung
Zyklonströmung bei hoher
Feststoffbeladung:
● Partikel werden als solche
berechnet und dargestellt
● Der Impulsaustausch der
Partikel untereinandert wird
berücksichtigt
● Der Impulsaustausch der
Partikel zum Gas wird
berücksichtigt
● Unterschiedliche
Partikelgrößen und
Kornbandverteilungen werden
berücksichtigt
● Dynamisches Verhalten wird
dargestellt zurück
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Wärmetauscheroptimierung
Mehlaufgabe auf Zyklon:
● dynamisches
Verhalten
● Partikelgrößen-
abhängigkeit
Untersuchungsergebnisse:
● Zyklizität bei
beidseitiger Aufgabe
● Ausbildung von
Partikelwolken
● sub-optimaler
Abscheidegrad
zurück
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Wärmetauscheroptimierung
Mehlverteilerweiche:
● Partikelsträhnen
● dynamisches
Austragsverhalten aus
der Zyklonspitze
● asymmetrisches
Eintrittsverhalten in
Mehlverteilerweiche
● Klappenstellung ungleich
Mehlverteilung
zurück
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Kalzinatoroptimierung
Aufgabe stückigen
Brennstoffs im Kalzinator:
● Partikellaufbahnen
● Verweilzeitverhalten
● Ausbrand nach Partikelgröße
● Kalzinationsfortschritt
● Kollisions- und
Anhaftungsorte
zurück
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Berechnung des Drehrohrofens
Strömungsdynamisch-thermochemische Berechnung
des Ofenprozesses:
CaO
C3S
CaCO3
C2S
zurück
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Berechnung des Drehrohrbrenners
Berechnung des
Ofenbrenners:
● Unterschiedliche (Sekundär-)
Brennstoffe
● Auswirkung auf die
Flammenform
(Wärmefreisetzungszonen)
Untersuchungsergebnisse:
● „Niederregnen“ von
unausgebranntem Brennstoff
● Auswirkungen auf O2-
Angebot an der Bettoberfläche
● Qualitätsprobleme
Kohle:
Tiermehl:
Fluff:
zurück
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Berechnung des Ofenkopfes
Ofenkopfströmung:
● Sekundärluft-Tertiärluftsplit
● Strömung im Ofenkopf
● Staubbeladung
● Druckverlustminderung
durch
Rotationsabsetzkammer
● Entstaubungsleistung für
die Tertiärluft
zurück
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Onsite-Services:
Manche Verbesserungen
sind auch ohne
numerisches Engineering
möglich:
● Optimierung der
Anlagenbetriebs
● Optimierung der
Regelkreise und
Produktionsführungs-
strategien
● Training des Personals
● Durchführung von
Leistungstests
● Anlagenassessment
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Der Vorteil für Sie: sofortiger ROI!
Beispielhafte Abschätzung der Wirtschaftlichkeit
Annahmen:
Energiekosten: 20€/t
Produktionsleistung: 3000t/d
Beispiel erreichte Einsparung Kosten Amortisation
aixergee Umbau
% €/t €/d € € Tage
1 0,2 600 15.000 10.000 42
Optimierung SNCR 3 0,6 1800 20.000 100.000 67
Optimierung Sekundärbrennstoff 5 1 3000 35.000 300.000 112
Umstellung neuer Sek.-Brennstoff 10 2 6000 65.000 800.000 144
Repositionierung SNCR
Return innerhalb von wenigen Monaten möglich !
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Was wir für Sie tun können
Ist-Zustand Optimierung
Analyse Vorschlag Umsetzung
Anlagenbegutachtung:
● Beobachtung
● Messung
● Berichterstattung
Berechnung:
● konventionell
● CFD
● CPFD
● Thermochemie
● Verbrennung
● Energiebilanz
● ...
Studien / Berichte:
● Betriebsoptimierung
● Machbarkeitsstudien
● Szenariostudien
Engineering:
● Basic engineering
● Detail engineering
● Spezifikation der
benöt. Ausrüstung
● Auswahl der benöt.
Ausrüstung
● Design der benöt.
Ausrüstung
● Optimierung des
Anlagenbetriebs
vor Ort
● Projektmanagement
● Behördenengineering
● Personalgestellung für
Inbetriebnahme,
Leistungstests und
Optimierungen
● Training / Qualifikation
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Wir setzen Ihre Energie um!
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Referenzen und Beispiele
● Verbrennungsmodelle für:
– Rostfeuerung
– Kohlenstaub
– Nachverbrennung
– Öl- und Gasbrenner
● Brennstoffe:
– Gas-Phasen Verbrenungsprodukte:
● H2
, H2
O, O2
, CO, CO2
, CH4
, O3
, N2
,...
– Koksausbrand (auch für Rest- und Abfallbrennstoffe)
– Sekundärbrenstoffe (z.B. Fluff, Altreifen, biogene Reststofffe ...)
– Biomasse
– Schadstoffe und Spuren:
● Nox
, Schwermetalle, Alkali- u. Erdalkalimetalle
● Physikalische Modelle für:
– Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung
– Turbulenz (unterschiedliche Modelle)
– Feststoffe, Staubkonzentrationen, Schmelzen
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Referenzen und Beispiele
vorher nachher
Verteilung des
Reduktionsmittels
Optimierung des SNCR-
Verfahrens:
● Berechnung der
Verdampfungspfade
● Berechnung der
Randgängigkeit
● Optimierung der
Düsenposition und
-ausrichtung
● Düsenauswahl und
-engineering
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Referenzen und Beispiele
Optimierung der Ofenkopfgestaltung:
● Berechnung der Einströmung in
die Tertiärluftleitung
● Optimierung der
Strömungsgeometrie durch den
Einsatz von Leitblechen
● Minimierung der Staubbeladung
der Tertiärluft
● Verringerung des Druckverlustes
des Ofenkopfes
● Verbesserung des
Kalzinatorbetriebs
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Referenzen und Beispiele
Optimierung der Mehlbox:
● Berechnung des 2-
Phasengemischs unter
vollständiger
Berücksichtigung des
Einflusses der
Mehlpartikel
● Gleichverteilung des
Mehls in den
aufsteigenden Gasstrom
● Optimierung des
Wärmetransports
● Effizienzsteigerung des
Wärmetauschers
● Detailoptimierung an der
Splash-plate
Darstellung der Suspension der
Mehlpartikel in der Strömung
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Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Mehrphasenströmungen
● Zyklon
● Kalzinator
● Sichter
● Filter
● Siloaustrag
● Bunkerströmungen
● …
● Bei hohen Beladungen
(>5vol-%) schwierig zu
berechnen
● Besonders bedeutungsvoll
in der Zementindustrie
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Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Mehrphasenströmungen:
● Komplexität der herrschenden
physikalischen Vorgänge
● Stark unterschiedliche
Größen- und Zeitskalen
● Geschlossene Modellierung
und Berechnung nicht möglich
● 2 unterschiedliche Ansätze
stehen zur Verfügung:
1. Euler/Lagrange
2. Euler/Euler
● Beide Ansätze haben Stärken
und Schwächen
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Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Euler/Lagrange-Ansatz:
● Für die Partikel werden die
Bewegungsgleichungen diskrete
gelöst
● Kräftebilanz um Partikel
● Partikel führt seine granularen
Eigenschaften mit sich
● Für das Fluid werden die
Erhaltungsgleichungen in den
Gitterzellen gelöst
● Impuls, Massen- und
Energieerhaltung
+ Die Partikel behalten ihre
granularen Eingenschaften
- die beiden Phasen werden in
unterschiedlichen Bezugssystemen
geführt und deren Interaktion muss
aufwendig modelliert werden
Zeitab-
hängigkeit
Advektion Diffusion Quellterm
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Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Euler/Euler-Ansatz:
● Jede (beide) Phase wird als Fluid
behandelt
● Für jede Phase werden die
Erhaltungsgleichungen
kontinuumsmechanisch gelöst
● Partikel können als „Pseudo-Fluide“
modelliert werden
● Phasenübergänge werden
berücksichtigt
+ Interaktion zwischen den Phasen
wird vollständig und geschlossen
berücksichtigt
- Partikel verlieren ihre granularen
Eigenschaften (Größe,
Korngrößenverteilung...)
Phasenübergang
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BARRACUDA®
CPFD
Neuartiger CFD-Code schließt die
Lücke zwischen den beiden
herkömmlichen Methoden
● Fluid wird in Euler'schem Gitter
berechnet
● Partikel werden grundsätzlich in einem
Langrange-Modell berechnet
● Die Partikeleigenschaften werden auf
das Euler'sche Gitter aufgeprägt und die
Auswirkungen der Strömung auf diese
wiederum zurück auf die Partikel.
● Vollkommen geschlossene
Modellierung der Partikel-Interaktionen
untereinander und auf die Gasphase
● Partikel behalten Ihre granularen
Eigenschaften
● Einsetzbar auch bei Beladungen
>5vol-%
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Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie
Standard Euler-Lagrange-Methode
(SEL)
Standard Euler-Granular-Methode (SEG)
Computational Particle Fluid Dynamics
(CPFD)
Extended Euler-Lagrange-Methode
(EEL)
Extended Euler-Granular-Methode
(EEG)
Discrete-Element-Methode (DEM)
Berechnung diskreter Partikel mit Partikel-
Partikel-Interaktion und bi-direktionaler Kopplung
der Fluid-Partikel-Interaktion. Das Partikel
verdrängt in der Zelle des Euler'schen Gitters ein
best. Gasvolumen
Um Partikelkollisionen, Agglomerationsverhalten
und anderes erweitertes SEL
SEG erweitert um die Abbildung der
Reibungsviskosität der Feststoffphase nahe der
Packungsdichte
Detaillierte Berechnung der Partikel-Partikel-
Interaktionen unter Berücksichtigung der
Partikelgröße und -gestalt – Fluide können nicht
berücksichtigt werden
Explizite Berechnung diskreter Partikel ohne
Partikel-Partikel-Interaktion – nur für verdünnte
Strömungen gültig
Die Feststoff-Phase wird wie ein „Pseudo-Fluid“
mit spezifischen Eigenschaften behandelt –
Probleme bei Beladungen nahe der Pack.-dichte
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SEL SEG CPFD EEL EEG DEM
fluid physics ++ + + ++ + --
inertia effects + + ++ ++ + o
particle size distribution ++ - ++ ++ - ++
large particles o - o o - +
particle form o - o o - +
particle-particle-interaction -- o + + o ++
packing limit -- o ++ - o ++
multi-physics + - + ++ o -
accretion/obstruction -- o + - + +
dynamic/static - o + - + o
complex geometry ++ o - ++ - o
computation efficiency + o o - + -
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- bad
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++ very good
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State of the Art Waste Conditioning at LOESCHE
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aixergee - Kompetenz & Service für die Zementindustrie

  • 1. Alfonsstr. 44 52070 Aachen Tel. +49 241 4134492-50 info@aixergee.de www.aixergee.de Kompetenz & Service für die Zementindustrie
  • 2. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie aixergee – Kompetenz & Service für Zement Unser Beitrag: Durch die Kombination aus langjähriger Branchenerfahrung und führender Kenntnis im numerischen Engineering können wir die komplexen Prozesse in der Zementindustrie im Detail untersuchen und auf der so geschaffenen Grundlage besser optimieren. Unsere Kunden profitieren von dieser Prozessoptimierung durch geringere Brennstoffkosten, geringe Instandhaltungskosten, geringe Energiekosten und höhere Produktivität
  • 3. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie aixergee – Kompetenz & Service für Zement Wir helfen Ihnen! ● Bei der Senkung Ihrer Produktionskosten ● Bei der Steigerung Ihrer Produktivität ● Bei der Verbesserung Ihrer Produktions- prozesse ● Bei dem Einsatz von Sekundärbrennstoffen ● Bei der Qualifikation Ihres Personals
  • 4. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Produktion von Zement Produktion Ausrüstung - Maschinen - Automation Betrieb Einsatz- material Brennstoff Roh- material Produkte Klinker Zement Energie Brennstoff Elektrizität
  • 5. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Produktion von Zement Produktion Ausrüstung - Maschinen - Automation Betrieb Einsatz- material Brennstoff Roh- material Produkte Klinker Zement Energie Brennstoff Elektrizität
  • 6. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Prozessoptimierung Ist-Zustand: Optimierung: Beobachtung Messung Berechnung - konventionell - CFD - CPFD - PFD - Thermochemie - Validation Modifikation der Anlagentechnik Modifikation der Einsatzstoffe Modifikation des Anlagenbetriebs
  • 7. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik Wassereindüsung in Mischkamer: ● Untersuchung der Strömungssituation ● Identifikation der Bottlenecks ● Düsenengineering ● Identifikation der geeigneten Positionen und Ausrichtungen der Düsenstöcke ● Verringerung der Ansatzneigung ● Erhöhung der Produktionsleistung ● Stabilisierung des Anlagenbetriebs 35° 500 1500 35° 500 1500
  • 8. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation der Anlagentechnik Optimierung der Zyklone: ● Untersuchung der Strömungssituation ● Identifikation der Bottlenecks ● Optimierung der Strömung ● Verringerung des Druckverlustes ● Verringerung der Ansatzneigung ● Verbesserung des Abscheidegrades
  • 9. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation der Einsatzstoffe Verbrennung von Reifenschnitzeln im Kalzinator ● Untersuchung des Strömungs-und Verweilzeitverhaltens ● Berechnung des Ausbrands und der Strömung beim Einsatz der Reifenschnitzel ● Festlegung des optimalen Aufgabeortes und der erreichbaren Einsatzmenge ● Identifikation von potentiellen Prozessstörungen und Erarbeitung von Gegenmaßnahmen
  • 10. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Zum Beispiel: Modifikation des Anlagenbetriebs Alle Eingriffe und Veränderungen in den Produktionsprozess bedingen oder begründen eine Modifikation des Anlagenbetriebs! Wir lassen Sie nach der Implementierung der Modifikation nicht im Regen stehen: ● Optimierung des Anlagenbetriebs auf die neue Situation ● Schulung des Personals ● Betriebsoptimierung auch ohne vorhergehende Anlagenmodifikation
  • 11. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Zementproduktion als vernetzter Prozess
  • 12. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Die Zementproduktion als komplexer Prozess ● Der Zementprozess ist gekennzeichnet durch: ● Das Vorliegen der (Zwischen-) Produkte in allen Aggregatzuständen – insbesondere feststoffförmig ● Unterschiedlichste Ablaufzeiten von teilweise überlagerten Prozessen (Millisekunden bis zu Stunden) ● Zyklisches – schwingendes Verhalten ● Extrem energieintensiv ● Direkter Kontakt zwischen Brennstoff(-asche) und Produkt ● Hohe Variationsrate der Qualitäten und Quantitäten der Einsatzstoffe möglich ● Kernprozesse sind mineralogisch getrieben ● Als Massenprodukt verträgt Zement keine höheren Produktionskosten
  • 13. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Prozessoptimierung ist permanente Notwendigkeit ● Der hohe Energiebedarf zwingt zu ständigen Effizienzsteigerungen ● Neue Technologien müssen in die prinzipiell langlebige Anlagenausrüstung integriert werden ● Permanenter Kostendruck bewirkt den Einsatz immer minderwertigerer Brennstoffe / Reststoffe ● Wachsende Umweltauflagen verlangen immer umweltschonendere, und besser geführte Produktionsweise
  • 14. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Von der Analyse zur Optimierung Ist-Zustand Optimierung Analyse Vorschlag Umsetzung Anlagenbegutachtung: ● Beobachtung ● Messung Berechnung: ● konventionell ● CFD ● CPFD ● Thermochemie ● Verbrennung ● Energiebilanz ● ... Beschaffung: ● Lieferanten ● Partner Engineering: ● Verfahrenstechnik ● Stoff- und Energiebilanzen ● Konstruktion ● Bauteil ● Elektrik/Automation ● Behörden ● Projektmanagement ● Behördenengineering ● Resourcenbeschaffung ● Lieferung ● Montage ● Inbetriebnahme ● Optimierung ● Leistungsnachweis ● Training Finanzierung: Projektplanung:
  • 15. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wie wir für Sie arbeiten Anlagenbetrieb Auslegung von Maschinen u. Anlagen Konstruktion von Maschinen u. Anlagen Berechnung von: - Strömungen - Druckverlusten - Ausbrandraten - Chemischen Zusammensetzungen - Kalzinationsraten - Emissionen - Partikelbahnen ... ProduktionsprozessProduktionsprozess
  • 16. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Numerische Engineeringwerkzeuge Werkzeug Anwendung Beispiel Verbrennungsprozesse Ofenbrenner … … PFD … Thermochemie CFD (mit zusätzlichen Modellen zur Berücksichtigung des Partikelverhaltens) FLUENT „Reingas“ und gering beladene Mehrphasenströmungen Filter, Gasströmungen in Apparaten und Leitungen Strömungen mit überlagerten Reaktionen und Strahlungstransport Kalzinatorströmung mit Augenmerk auf Gas CPFD Barracuda hoch beladene Gasströmungen Zyklonströmungen, Mehleinbringungen, statische Sichter durchströmte Haufwerke Festbett- und Wirbelbettreaktoren Bunkeraustragsströmung Partikelströmungen Siloausträge, Feststoffströmungen Mehrkomponenten- und Mehrphasenreaktionen Vorausberechnung der Abgaszusammensetzung Vorausberechnung der (Zwischen-)Produktzusam mensetzung PartikelGas
  • 17. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Warum wir uns so viel Mühe geben E-Filterströmung – nach und vor der Optimierung ●Bessere Strömungsverteilung ●Längere mittlere Verweilzeit ●Bessere Abscheideleistung ●Geringerer Druckverlust bei äußerlich gleicher Erscheinung!
  • 18. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie CFD für die Zementindustrie: Einige Beispiele
  • 19. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wärmetauscheroptimierung Zyklonströmung bei hoher Feststoffbeladung: ● Partikel werden als solche berechnet und dargestellt ● Der Impulsaustausch der Partikel untereinandert wird berücksichtigt ● Der Impulsaustausch der Partikel zum Gas wird berücksichtigt ● Unterschiedliche Partikelgrößen und Kornbandverteilungen werden berücksichtigt ● Dynamisches Verhalten wird dargestellt zurück
  • 20. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wärmetauscheroptimierung Mehlaufgabe auf Zyklon: ● dynamisches Verhalten ● Partikelgrößen- abhängigkeit Untersuchungsergebnisse: ● Zyklizität bei beidseitiger Aufgabe ● Ausbildung von Partikelwolken ● sub-optimaler Abscheidegrad zurück
  • 21. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Wärmetauscheroptimierung Mehlverteilerweiche: ● Partikelsträhnen ● dynamisches Austragsverhalten aus der Zyklonspitze ● asymmetrisches Eintrittsverhalten in Mehlverteilerweiche ● Klappenstellung ungleich Mehlverteilung zurück
  • 22. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Kalzinatoroptimierung Aufgabe stückigen Brennstoffs im Kalzinator: ● Partikellaufbahnen ● Verweilzeitverhalten ● Ausbrand nach Partikelgröße ● Kalzinationsfortschritt ● Kollisions- und Anhaftungsorte zurück
  • 23. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Berechnung des Drehrohrofens Strömungsdynamisch-thermochemische Berechnung des Ofenprozesses: CaO C3S CaCO3 C2S zurück
  • 24. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Berechnung des Drehrohrbrenners Berechnung des Ofenbrenners: ● Unterschiedliche (Sekundär-) Brennstoffe ● Auswirkung auf die Flammenform (Wärmefreisetzungszonen) Untersuchungsergebnisse: ● „Niederregnen“ von unausgebranntem Brennstoff ● Auswirkungen auf O2- Angebot an der Bettoberfläche ● Qualitätsprobleme Kohle: Tiermehl: Fluff: zurück
  • 25. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Berechnung des Ofenkopfes Ofenkopfströmung: ● Sekundärluft-Tertiärluftsplit ● Strömung im Ofenkopf ● Staubbeladung ● Druckverlustminderung durch Rotationsabsetzkammer ● Entstaubungsleistung für die Tertiärluft zurück
  • 26. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Onsite-Services: Manche Verbesserungen sind auch ohne numerisches Engineering möglich: ● Optimierung der Anlagenbetriebs ● Optimierung der Regelkreise und Produktionsführungs- strategien ● Training des Personals ● Durchführung von Leistungstests ● Anlagenassessment
  • 27. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Der Vorteil für Sie: sofortiger ROI! Beispielhafte Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Annahmen: Energiekosten: 20€/t Produktionsleistung: 3000t/d Beispiel erreichte Einsparung Kosten Amortisation aixergee Umbau % €/t €/d € € Tage 1 0,2 600 15.000 10.000 42 Optimierung SNCR 3 0,6 1800 20.000 100.000 67 Optimierung Sekundärbrennstoff 5 1 3000 35.000 300.000 112 Umstellung neuer Sek.-Brennstoff 10 2 6000 65.000 800.000 144 Repositionierung SNCR Return innerhalb von wenigen Monaten möglich !
  • 28. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Was wir für Sie tun können Ist-Zustand Optimierung Analyse Vorschlag Umsetzung Anlagenbegutachtung: ● Beobachtung ● Messung ● Berichterstattung Berechnung: ● konventionell ● CFD ● CPFD ● Thermochemie ● Verbrennung ● Energiebilanz ● ... Studien / Berichte: ● Betriebsoptimierung ● Machbarkeitsstudien ● Szenariostudien Engineering: ● Basic engineering ● Detail engineering ● Spezifikation der benöt. Ausrüstung ● Auswahl der benöt. Ausrüstung ● Design der benöt. Ausrüstung ● Optimierung des Anlagenbetriebs vor Ort ● Projektmanagement ● Behördenengineering ● Personalgestellung für Inbetriebnahme, Leistungstests und Optimierungen ● Training / Qualifikation
  • 29. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustr - Wir setzen Ihre Energie um! Für mehr Information wenden Sie sich an: aixergee – process optimisation Alfonsstrasse 44 52070 Aachen Tel.: +49 241 413 44 92 40 info@aixergee.de www.aixergee.de
  • 30. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele ● Verbrennungsmodelle für: – Rostfeuerung – Kohlenstaub – Nachverbrennung – Öl- und Gasbrenner ● Brennstoffe: – Gas-Phasen Verbrenungsprodukte: ● H2 , H2 O, O2 , CO, CO2 , CH4 , O3 , N2 ,... – Koksausbrand (auch für Rest- und Abfallbrennstoffe) – Sekundärbrenstoffe (z.B. Fluff, Altreifen, biogene Reststofffe ...) – Biomasse – Schadstoffe und Spuren: ● Nox , Schwermetalle, Alkali- u. Erdalkalimetalle ● Physikalische Modelle für: – Strahlung, Konvektion, Wärmeleitung – Turbulenz (unterschiedliche Modelle) – Feststoffe, Staubkonzentrationen, Schmelzen
  • 31. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele vorher nachher Verteilung des Reduktionsmittels Optimierung des SNCR- Verfahrens: ● Berechnung der Verdampfungspfade ● Berechnung der Randgängigkeit ● Optimierung der Düsenposition und -ausrichtung ● Düsenauswahl und -engineering
  • 32. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele Optimierung der Ofenkopfgestaltung: ● Berechnung der Einströmung in die Tertiärluftleitung ● Optimierung der Strömungsgeometrie durch den Einsatz von Leitblechen ● Minimierung der Staubbeladung der Tertiärluft ● Verringerung des Druckverlustes des Ofenkopfes ● Verbesserung des Kalzinatorbetriebs
  • 33. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Referenzen und Beispiele Optimierung der Mehlbox: ● Berechnung des 2- Phasengemischs unter vollständiger Berücksichtigung des Einflusses der Mehlpartikel ● Gleichverteilung des Mehls in den aufsteigenden Gasstrom ● Optimierung des Wärmetransports ● Effizienzsteigerung des Wärmetauschers ● Detailoptimierung an der Splash-plate Darstellung der Suspension der Mehlpartikel in der Strömung
  • 34. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Mehrphasenströmungen ● Zyklon ● Kalzinator ● Sichter ● Filter ● Siloaustrag ● Bunkerströmungen ● … ● Bei hohen Beladungen (>5vol-%) schwierig zu berechnen ● Besonders bedeutungsvoll in der Zementindustrie
  • 35. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Mehrphasenströmungen: ● Komplexität der herrschenden physikalischen Vorgänge ● Stark unterschiedliche Größen- und Zeitskalen ● Geschlossene Modellierung und Berechnung nicht möglich ● 2 unterschiedliche Ansätze stehen zur Verfügung: 1. Euler/Lagrange 2. Euler/Euler ● Beide Ansätze haben Stärken und Schwächen
  • 36. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Euler/Lagrange-Ansatz: ● Für die Partikel werden die Bewegungsgleichungen diskrete gelöst ● Kräftebilanz um Partikel ● Partikel führt seine granularen Eigenschaften mit sich ● Für das Fluid werden die Erhaltungsgleichungen in den Gitterzellen gelöst ● Impuls, Massen- und Energieerhaltung + Die Partikel behalten ihre granularen Eingenschaften - die beiden Phasen werden in unterschiedlichen Bezugssystemen geführt und deren Interaktion muss aufwendig modelliert werden Zeitab- hängigkeit Advektion Diffusion Quellterm
  • 37. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Euler/Euler-Ansatz: ● Jede (beide) Phase wird als Fluid behandelt ● Für jede Phase werden die Erhaltungsgleichungen kontinuumsmechanisch gelöst ● Partikel können als „Pseudo-Fluide“ modelliert werden ● Phasenübergänge werden berücksichtigt + Interaktion zwischen den Phasen wird vollständig und geschlossen berücksichtigt - Partikel verlieren ihre granularen Eigenschaften (Größe, Korngrößenverteilung...) Phasenübergang
  • 38. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie BARRACUDA® CPFD Neuartiger CFD-Code schließt die Lücke zwischen den beiden herkömmlichen Methoden ● Fluid wird in Euler'schem Gitter berechnet ● Partikel werden grundsätzlich in einem Langrange-Modell berechnet ● Die Partikeleigenschaften werden auf das Euler'sche Gitter aufgeprägt und die Auswirkungen der Strömung auf diese wiederum zurück auf die Partikel. ● Vollkommen geschlossene Modellierung der Partikel-Interaktionen untereinander und auf die Gasphase ● Partikel behalten Ihre granularen Eigenschaften ● Einsetzbar auch bei Beladungen >5vol-%
  • 39. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie Standard Euler-Lagrange-Methode (SEL) Standard Euler-Granular-Methode (SEG) Computational Particle Fluid Dynamics (CPFD) Extended Euler-Lagrange-Methode (EEL) Extended Euler-Granular-Methode (EEG) Discrete-Element-Methode (DEM) Berechnung diskreter Partikel mit Partikel- Partikel-Interaktion und bi-direktionaler Kopplung der Fluid-Partikel-Interaktion. Das Partikel verdrängt in der Zelle des Euler'schen Gitters ein best. Gasvolumen Um Partikelkollisionen, Agglomerationsverhalten und anderes erweitertes SEL SEG erweitert um die Abbildung der Reibungsviskosität der Feststoffphase nahe der Packungsdichte Detaillierte Berechnung der Partikel-Partikel- Interaktionen unter Berücksichtigung der Partikelgröße und -gestalt – Fluide können nicht berücksichtigt werden Explizite Berechnung diskreter Partikel ohne Partikel-Partikel-Interaktion – nur für verdünnte Strömungen gültig Die Feststoff-Phase wird wie ein „Pseudo-Fluid“ mit spezifischen Eigenschaften behandelt – Probleme bei Beladungen nahe der Pack.-dichte
  • 40. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustrie Spezielle Berechnungsmethoden für die Zementindustrie SEL SEG CPFD EEL EEG DEM fluid physics ++ + + ++ + -- inertia effects + + ++ ++ + o particle size distribution ++ - ++ ++ - ++ large particles o - o o - + particle form o - o o - + particle-particle-interaction -- o + + o ++ packing limit -- o ++ - o ++ multi-physics + - + ++ o - accretion/obstruction -- o + - + + dynamic/static - o + - + o complex geometry ++ o - ++ - o computation efficiency + o o - + - -- very bad - bad o moderate + good ++ very good
  • 41. aixergee – Kompetenz & Service für die Zementindustr - Wir setzen Ihre Energie um! Für mehr Information wenden Sie sich an: aixergee – process optimisation Alfonsstrasse 44 52070 Aachen Tel.: +49 241 413 44 92 40 info@aixergee.de www.aixergee.de